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半导体的生产工艺流程 |
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| 半导体的生产工艺流程 |
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| 作者：佚名 文章来源：网络 点击数： 更新时间：2004-3-5 |
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，等于强迫晶圆与盖子之间的空气跟着旋转，那么光阻上便无高转速差的粘性旋转拖曳作用。故光阻在被涂布时，其与周遭流体之相对运动并不明显，只是离心的彻体力效果，使光阻稳定地、且是呈同心圆状地向外涂布。
根据实际使用显示，GYRSET?只需一般涂布机的55%光阻用量。另外，其也可应用于厚光阻之涂布 (厚度自数微米至数百微米不等)。受涂基板也可由晶圆改为任意的工作外型，而不会造成边缘一大部份面积厚度不均的花花外貌。
[注] 厚光阻是新近发展出来，供微机电研究使用的材料，如IBM的SU-8系列光阻，厚度由数微米至100微米不等，以GYRSET?涂布后，经过严格的烘干程序，再以紫外线或准分子雷射 (excimer laser) 进行曝光显影后，所得到较深遂的凹状图案，可供进一步精密电铸 (electro-forming) 的金属微结构成长填塞。这种加工程序又称为「仿LIGA」制程 (poor mans LIGA)，即「异步X光之深刻模造术」。
(三)蚀刻(Etching)
蚀刻的机制，按发生顺序可概分为「反应物接近表面」、「表面氧化」、「表面反应」、「生成物离开表面」等过程。所以整个蚀刻，包含反应物接近、生成物离开的扩散效应，以及化学反应两部份。整个蚀刻的时间，等于是扩散与化学反应两部份所费时间的总和。二者之中孰者费时较长，整个蚀刻之快慢也卡在该者，故有所谓「reaction limited」与「diffusion limited」两类蚀刻之分。
1、湿蚀刻
最普遍、也是设备成本最低的蚀刻方法，其设备如图2-10所示。其影响被蚀刻物之蚀刻速率 (etching rate) 的因素有三：蚀刻液浓度、蚀刻液温度、及搅拌 (stirring) 之有无。定性而言，增加蚀刻温度与加入搅拌，均能有效提高蚀刻速率；但浓度之影响则较不明确。举例来说，以49%的HF蚀刻SiO2，当然比BOE (Buffered-Oxide- Etch；HF：NH4F =1：6) 快的多；但40%的KOH蚀刻Si的速率却比20%KOH慢！ 湿蚀刻的配方选用是一项化学的专业，对于一般不是这方面的研究人员，必须向该化学专业的同侪请教。一个选用湿蚀刻配方的重要观念是「选择性」(selectivity)，意指进行蚀刻时，对被蚀物去除速度与连带对其他材质 (如蚀刻掩膜；etching mask， 或承载被加工薄膜之基板；substrate ) 的腐蚀速度之比值。一个具有高选择性的蚀刻系统，应该只对被加工薄膜有腐蚀作用，而不伤及一旁之蚀刻掩膜或其下的基板材料。
(1)等向性蚀刻 (isotropic etching)
大部份的湿蚀刻液均是等向性，换言之，对蚀刻接触点之任何方向腐蚀速度并无明显差异。故一旦定义好蚀刻掩膜的图案，暴露出来的区域，便是往下腐蚀的所在；只要蚀刻配方具高选择性，便应当止于所该止之深度。
然而有鉴于任何被蚀薄膜皆有其厚度，当其被蚀出某深度时，蚀刻掩膜图案边缘的部位渐与蚀刻液接触，故蚀刻液也开始对蚀刻掩膜图案边缘的底部，进行蚀掏，这就是所谓的下切或侧向侵蚀现象 (undercut)。该现象造成的图案侧向误差与被蚀薄膜厚度同数量级，换言之，湿蚀刻技术因之而无法应用在类似「次微米」线宽的精密制程技术！
(2)非等向性蚀刻 (anisotropic etching)
先前题到之湿蚀刻「选择性」观念，是以不同材料之受蚀快慢程度来说明。然而自1970年代起，在诸如Journal of Electro-Chemical Society等期刊中，发表了许多有关碱性或有机溶液腐蚀单晶硅的文章，其特点是不同的硅晶面腐蚀速率相差极大，尤其是<111>方向，足足比<100>或是<110>方向的腐蚀速率小一到两个数量级！因此，腐蚀速率最慢的晶面，往往便是腐蚀后留下的特定面。
这部份将在体型微细加工时再详述。
2、干蚀刻
干蚀刻是一类较新型，但迅速为半导体工业所采用的技术。其利用电浆 (plasma) 来进行半导体薄膜材料的蚀刻加工。其中电浆必须在真空度约10至0.001 Torr 的环境下，才有可能被激发出来；而干蚀刻采用的气体，或轰击质量颇巨，或化学活性极高，均能达成蚀刻的目的。
干蚀刻基本上包括「离子轰击」(ion-bombardment)与「化学反应」(chemical reaction) 两部份蚀刻机制。偏「离子轰击」效应者使用氩气(argon)，加工出来之边缘侧向侵蚀现象极微。而偏「化学反应」效应者则采氟系或氯系气体(如四氟化碳CF4)，经激发出来的电浆，即带有氟或氯之离子团，可快速与芯片表面材质反应。
干蚀刻法可直接利用光阻作蚀刻之阻绝遮幕，不必另行成长阻绝遮幕之半导体材料。而其最重要的优点，能兼顾边缘侧向侵蚀现象极微与高蚀刻率两种优点，换言之，本技术中所谓「活性离子蚀刻」(reactive ion etch；RIE) 已足敷「次微米」线宽制程技术的要求，而正被大量使用中。
(四)离子植入 (Ion Implantation)
在扩散制程的末尾描述中，曾题及扩散区域之边缘所在，有侧向扩散的误差，故限制其在次微米制程上之应用。但诚如干蚀法补足湿蚀法在次微米制程能力不足一样，此地另有离子植入法，来进行图案更精细，浓度更为稀少精准的杂值搀入。
离子植入法是将III族或IV族之杂质，以离子的型式，经加速后冲击进入晶圆表面，经过一段距离后，大部份停于离晶圆表面0.1微米左右之深度 (视加速能量而定)，故最高浓度的地方，不似热扩散法在表面上。不过因为深度很浅，一般还是简单认定大部份离子是搀杂在表面上，然后进一步利用驱入（drive-in）来调整浓度分布，并对离子撞击过的区域，进行结构之修补。基本上，其为一低温制程，故可直接用光阻来定义植入的区域。
(五)化学气相沉积 (Chemical Vapor Deposition；CVD)
到目前为止，只谈到以高温炉管来进行二氧化硅层之成长。至于其它如多晶硅 (poly-silicon)、氮化硅 (silicon-nitride)、钨或铜金属等薄膜材料，要如何成长堆栈至硅晶圆上？
基本上仍是采用高温炉管，只是因着不同的化学沉积过程，有着不同之工作温度、压力与反应气体，统称为「化学气相沉积」。
既是化学反应，故免不了「质量传输」与「化学反应」两部份机制。由于化学反应随温度呈指数函数之变化，故当高温时，迅速完成化学反应。换言之，整体沉积速率卡在质量传输 (diffusion-limited)；而此部份事实上随温度之变化，不像化学反应般敏感。所以对于化学气相沉积来说，如图2-11所示，提高制程温度，容易掌握沉积的速率或制程之重复性。
然而高制程温度有几项缺点：
高温制程环境所需电力成本较高。
安排顺序较后面的制程温度若高于前者，可能破坏已沉积之材料。
高温成长之薄膜，冷却至常温后，会产生因各基板与薄膜间热胀缩程度不同之残留应力 (residual stress)。
所以，低制程温度仍是化学气相沉积追求的目标之一，惟如此一来，在制程技术上面临之问题及难度也跟着提高。
以下，按着化学气相沉积的研发历程，分别简介「常压化学气相沉积」、「低压化学气相沉积」、及「电浆辅助化学气相沉积」：
1、常压化学气相沉积 (Atmospheric Pressure CVD；APCVD)
最早研发的CVD系统，顾名思义是在一大气压环境下操作，设备外貌也与氧化炉管相类似。欲成长之材料化学蒸气自炉管上游均匀流向硅晶，至于何以会沉积在硅晶表面，可简单地以边界层 (boundary layer) 理论作定性说明：
当具黏性之化学蒸气水平吹拂过硅芯片时，硅芯片与炉管壁一样，都是固体边界，因着靠近芯片表面约1mm的边界层内速度之大量变化(由边界层外缘之蒸气速度减低到芯片表面之0速度)，会施予一拖曳外力，拖住化学蒸气分子；同时因硅芯片表面温度高于边界层外缘之蒸气温度，芯片将释出热量，来供给被拖住之化学蒸气分子在芯片表面完成薄膜材质解离析出之所需能量。所以基本上，化学气相沉积就是大自然「输送现象」(transport phenomena) 的应用。
常压化学气相沉积速度颇快，但成长薄膜的质地较为松散。另外若晶圆不采水平摆放的方式 (太费空间)，薄膜之厚度均匀性 (thickness uniformity)不佳。
2、低压化学气相沉积 (Low Pressure CVD；LPCVD)
为进行50片或更多晶圆之批次量产，炉管内之晶圆势必要垂直密集地竖放于晶舟上，这明显衍生沉积薄膜之厚度均匀性问题；因为平板边界层问题的假设已不合适，化学蒸气在经过第一片晶圆后，黏性流场立即进入分离 (separation) 的状态，逆压力梯度 (reversed pressure gradient) 会将下游的化学蒸气带回上游，而一团混乱。
在晶圆竖放于晶舟已不可免之情况下，降低化学蒸气之环境压力，是一个解决厚度均匀性的可行之道。原来依定义黏性流特性之雷诺数 观察，动力黏滞系数ν随降压而变小，如此一来雷诺数激增，而使化学蒸气流动由层流 (laminar flow) 进入紊流 (turbulent flow)。有趣的是紊流不易分离，换言之，其为一乱中有序之流动，故尽管化学蒸气变得稀薄，使沉积速度变慢，但其经过数十片重重的晶圆后，仍无分离逆流的现象，而保有厚度均匀，甚至质地致密的优点。以800oC、1 Torr成长之LPCVD氮化硅薄膜而言，其质地极为坚硬耐磨，也极适合蚀刻掩膜之用 (沉积速度约20分钟0.1微米厚。)
3、电浆辅助化学气相沉积 (Plasma Enhanced CVD；PECVD)
尽管LPCVD已解决厚度均匀的问题，但温度仍太高，沉积速度也不够快。为了先降低沉积温度，必须寻找另一能量来源，供化学沉积之用。由于低压对于厚度均匀性的必要性，开发低压环境之电浆能量辅助 (电浆只能存在于10~0.001 Torr 下)，恰好补足低温环境下供能不足的毛病，甚至于辅助之电浆能量效应还高于温度之所施予，而使沉积速率高过LPCVD。以350oC、1 Torr成长之PECVD氮化硅薄膜而言，其耐磨之质地适合IC最后切割包装 (packaging) 前之保护层 (passivation layer) 使用 (沉积速度约5分钟0.1微米厚。)
PECVD 与 RIE 两机台之运作原理极为相似，前者用电浆来辅助沉积，后者用电浆去执行蚀刻。不同之处在于使用不同的电浆气源，工作压力与温度也不相同。
(六)金属镀膜 (Metal Deposition)
又称物理镀膜 (Physical Vapor Deposition；PVD)，依原理分为蒸镀(evaporation) 与溅镀 (sputtering) 两种。PVD基本上都需要抽真空：前者在10-6~10-7Torr的环境中蒸着金属；后者则须在激发电浆前，将气室内残余空气抽除，也是要抽到10-6~ 10-7Torr的程度。
一般的机械式抽气帮浦，只能抽到10-3Torr的真空度，之后须再串接高真空帮浦 (机械式帮浦当作接触大气的前级帮浦)，如：扩散式帮浦 (diffusion pump)、涡轮式帮浦 (turbo pump)、或致冷式帮浦 (cryogenic pump)，才能达到10-6 ~10-7Torr的真空程度。当然，不同的真空帮浦规范牵涉到不同原理之压力计、管路设计、与价格。
1、蒸镀
蒸镀就加热方式差异，分为电阻式 (thermal coater) 与电子枪式 (E-gun evaporator) 两类机台。前者在原理上较容易，就是直接将准备熔融蒸发的金属以线材方式挂在加热钨丝上，一旦受热熔融，因液体表面张力之故，会攀附在加热钨丝上，然后徐徐蒸着至四周 (包含晶圆)。因加热钨丝耐热能力与供金属熔液攀附空间有限，仅用于低熔点的金属镀着，如铝，且蒸着厚度有限。
电子枪式蒸镀机则是利用电子束进行加热，熔融蒸发的金属颗粒全摆在石墨或钨质坩埚 (crucible) 中。待金属蒸气压超过临界限度，也开始徐徐蒸着至四周 (包含晶圆)。电子枪式蒸镀机可蒸着熔点较高的金属，厚度也比较不受限制。
蒸镀法基本上有所谓阶梯覆披 (step coverage) 不佳的缺点，如图2-12所示。也就是说在起伏较剧烈的表面，蒸着金属有断裂不连续之虞。另外，多片晶圆的大面积镀着也存在厚度均匀的问题。为此，芯片之承载台加上公自转的机构，便用于上述两问题之改善。
2、溅镀
溅镀虽是物理镀膜的方法，但与蒸发毫无关系。就如同将石头丢入一滩泥沼中，会喷溅出许多泥浆般，溅镀利用氩气电浆，高速冲击受镀靶材 (target)，因而将靶材表面附近材质喷溅出来，落至晶圆之上。由于靶材是一整面而不是一点接受轰击，所以喷溅出来的材质，也有可能填塞到芯片表面阶梯死角的部位，而比较没有断线不连续或所谓阶梯披覆的问题。
溅镀也依电浆受激之能量源不同，分为直流 (DC) 与射频 (RF) 两种。基本上，两种溅镀机都可镀着金属薄膜。但后者特别可以针对非金属薄膜，如压电(piezoelectric) 或磁性材料，具有「绝缘、熔点高、成份复杂、对堆栈方式相当敏感」等智能型薄膜之镀着特征。
3、金属薄膜图形定义
利用光蚀术定义妥之光阻，泡入适当酸液中，可蚀出金属线路，此与蒸镀抑或溅镀并无关连。然而部份金属蚀液是碱液，如铬，早期常用「赤血盐-氢氧化钾」溶液来定义图案，直接用光阻遮掩会失败 (还没蚀到底，光阻已经溶散了！)，所以必须多蒸着一层金，间接以碘化钾-碘溶液定义出金之图案后，再以金之图案来作掩膜，进行铬的腐蚀 (如此之繁复，常使初学者晕头转向，现在已经有铬金属的蚀洗液，如CR-7)。 另一个令人更扰人的问题在于：酸液有侧向侵蚀的现象，所以无法制作出次微米之金属线。一般业界已使用垂直度极佳，然而价格极昂之干蚀刻机来解决这个问题 (价昂是因为要用到含氯之反应气体，所有管路都要考虑防腐蚀)。但学术研发单位，在没有干蚀刻机情况下，一样可以作出次微米之金属线，这个方法称为「金属剥离或举离法」(lift-off)。
调整芯片镀金属与上光阻的顺序：首先旋敷光阻，以光蚀术将欲镀着金属线路之区域开出窗口 (该光罩恰与酸液蚀刻的光罩明暗相反)，再进行金属镀着的工作。此时，大部份金属可能都镀着在光阻上。所以金属镀着后，只要将芯片浸入丙酮，在光阻遭有机溶剂溶散之际，其上之金属也跟着被抬离芯片，而只留下没有光阻，也就是原来设计之金属线路。
不过，金属剥离也不是完全没缺点：
1、金属蒸镀，会对芯片产生加温效果，若蒸镀时间较长或厚度较高，有可能烤干光阻，而在最后泡丙酮时，无法掀离金属。
2、光阻开窗时，或多或少会留下一些显影不完全的部份，所以在金属镀着时，并不保证芯片受镀面之清洁状态良好。
3、 图2-13 金属蒸镀的「举离」法：(a)光阻曝光 (b)显影 (c)金属蒸镀 (d)举离，留下金属线路。
光阻边缘必须确保垂直或甚至有侧凹 (也是undercut) 的特征，以便金属举离时，不会发生藕断丝连的现象。上一页 [1] [2] |
| 文章录入：wwzyx 责任编辑：smt2006 |
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